盾構(gòu)機(jī)是一種綜合應(yīng)用機(jī)械、電氣、液壓、氣動等技術(shù)的挖掘機(jī)械，在城市地鐵施工中得到廣泛使用。液壓系統(tǒng)各種液壓閥的操縱、控制都是通過力（力矩）或位移（角位移）形式的機(jī)械量來實(shí)現(xiàn)。它可以用手動、機(jī)動、氣動、液動、電動及其組合等方式來進(jìn)行。當(dāng)控制規(guī)律比較復(fù)雜或要求達(dá)到較高的控制性能時，一般都采用電液控制的方式。這種方式是將微弱的控制信號，經(jīng)控制放大器處理和功率放大，再由某種形式的電機(jī)械(E-M)轉(zhuǎn)換器，將電量轉(zhuǎn)換成控制元件運(yùn)動需要的機(jī)械量。

VT3000就是這樣一個控制放大模塊，可以將微弱的控制信號處理并放大。

1．VT3000構(gòu)成

比例放大器VT3000是雙路、不帶電反饋、開關(guān)式比例放大器，主要由電源電路、信號處理電路、電流調(diào)節(jié)電路、功率放大電路等組成。VT3000比例放大器原理圖如圖81所示。

(1)電源電路是通過外置標(biāo)準(zhǔn)電源供電，并將電源電壓進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓和過載保護(hù)。內(nèi)輔助電源是通過選擇新的參考點(diǎn)，得到以新參考點(diǎn)為基準(zhǔn)零點(diǎn)，能滿足控制放大器中運(yùn)算放大器等元件正常工作所需要的穩(wěn)定電源。

(2)信號處理電路將輸入的指令信號根據(jù)不同的控制對象和工況要求進(jìn)行處理，一般都有斜坡信號發(fā)生器、階躍函數(shù)發(fā)生器、初始電流設(shè)定等電路。

1)斜坡信號發(fā)生器。斜坡信號發(fā)生器將一個階躍輸入信號變成緩慢上升或下降的輸出信號，并可通過內(nèi)置電位計進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)被控系統(tǒng)工作壓力或運(yùn)動速度等的無沖擊過渡。調(diào)節(jié)電位計可以改變輸出電壓的斜率，當(dāng)輸入電壓小于額定電壓時，斜坡時間也相應(yīng)減少，其特性如圖82所示。

2)階躍函數(shù)發(fā)生器。階躍函數(shù)發(fā)生器的輸出信號經(jīng)放大器放大后，給比例電磁鐵一個階躍電流，使比例閥閥心快速躍過零位死區(qū)，削弱或排除比例閥閥心正遮蓋的影響，適應(yīng)零區(qū)控制的要求，其特性如圖83所示。

3)雙路平衡電路。雙路平衡電路可以使兩個不同參數(shù)的比例電磁鐵得到對稱的控制特性。調(diào)節(jié)平衡電路中的內(nèi)置電位計可以使比例電磁鐵的控制通道增益相同，并使其中一路控制信號反相，實(shí)現(xiàn)兩個電磁鐵差動工作。

4)初始電流調(diào)節(jié)主要用于產(chǎn)生比例電磁鐵的預(yù)激電流，調(diào)整比例閥的零位死區(qū)大小，避開死區(qū)，使比例閥在設(shè)定值輸入時，從起始位置迅速起動。

(3)電流調(diào)節(jié)器用于改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)品質(zhì)，使控制閥或系統(tǒng)穩(wěn)定并達(dá)到一定的控制精度，對于干擾起抑制作用，使其動態(tài)特性得到提高。其中，串并聯(lián)混合式PID（比例積分微分環(huán)節(jié)）運(yùn)算電路zui為常見，該連接方式可以避免級間誤差，保證控制精度。

(4)顫振信號發(fā)生器可以輸出頻率和幅值穩(wěn)定可調(diào)的顫振信號，并能疊加到控制信號上，可以減小比例電磁鐵甚至整個電液控制閥的滯環(huán)。比例放大器VT3000的顫振信號發(fā)生器頻率為170(1±10%)Hz。

VT3000采用的是開關(guān)式功率放大級中的脈寬調(diào)制式(PWM)放大電路。它由脈寬調(diào)制器和功率放大級組成，可以使放大管工作在飽和區(qū)（開）或截止區(qū)（關(guān)），功耗低且負(fù)荷相應(yīng)較小，不但可以提高工作效率降低成本，而且提高了可靠性。

2．工作原理

如圖5 83所示，VT3000有六個賦值端，其中賦值端1～4(額定輸入電壓為±9V)可以分別通過導(dǎo)通繼電器K1～K4(繼電器的工作電壓為DC 24V)來進(jìn)行賦值。設(shè)定的電壓值可以由內(nèi)置輔助電源③或外置電位計提供。這四個賦值端賦值的大小還可以分別通過調(diào)節(jié)電位計R₁～R₄來設(shè)定。當(dāng)這些賦值端用外置電位計賦值時，如果內(nèi)置電位計沒有調(diào)到zui大，由于內(nèi)置電位計分壓的原因，其賦值功能將減弱或受限制。直接賦值端5可以直接輸入0～±6V電壓(額定輸入電壓為±6V)。賦值端6是一個微分輸入端，可以直接輸入0～±10V電壓(額定輸入電壓為±10V)。如果用不同參考電壓的電器元件賦值時，那么必須從賦值端6進(jìn)行賦值。所有賦值端輸入電壓值以測量零點(diǎn)為參考電壓。

VT3000控制面板上指示燈VD1～VD4發(fā)亮?xí)r，分別表示賦值端1～4正在賦值。如果兩個賦值端同時賦值，那么較大的值將被設(shè)定。在開始或停止賦值時，必須將輸入端的兩條信號線同時連接或斷開。所有設(shè)定的參數(shù)傳遞到加法器⑧進(jìn)行相加，然后輸出一階躍電壓信號到斜坡發(fā)生器。上升時間（斜率）通過電位計進(jìn)行調(diào)節(jié)。電壓信號到達(dá)額定值的斜坡時間(1s或5s)可以通過是否短接放大器板卡上的J5、J6端來選擇。當(dāng)使用外置電位計調(diào)節(jié)斜坡時間時，內(nèi)置電位計必須調(diào)到zui大值。因?yàn)閮?nèi)外置電位計并聯(lián)，額定斜坡時間將變小。通過導(dǎo)通繼電器K5或外部短接14a與14c端，可以設(shè)定zui小斜坡時間30ms。

斜坡發(fā)生器輸出信號送至階躍函數(shù)發(fā)生器⑦和加法器⑧。在階躍函數(shù)發(fā)生器的出口產(chǎn)生一階躍函數(shù)，它和斜坡發(fā)生器的輸出信號在加法器內(nèi)相加。加法器⑧的電流輸出信號分別流向雙路平衡電路⑨、電流調(diào)節(jié)器?和控制面板檢測點(diǎn)W（檢測電壓為0～±6V）。如果在W點(diǎn)檢測到的電壓為0～+6V時，放大器將控制電磁鐵A；如果在W點(diǎn)檢測到的電壓為0～-6V時，放大器將控制電磁鐵B。如果檢測電壓小于額定值的1%（階躍函數(shù)發(fā)生器沒有動作），那么流過電磁鐵的電流為20mA。流過電磁鐵A和B的電流大小可以分別通過控制面板檢測點(diǎn)I_a，I_b進(jìn)行測量(額定值為800mA或800mV)。

加法器⑧輸出信號流經(jīng)雙路平衡電路后反相，可以實(shí)現(xiàn)電磁鐵A和B的差動工作。初始電流調(diào)節(jié)電路⑩可以分別通過內(nèi)置電位計，調(diào)節(jié)電磁鐵A和B的預(yù)激電流(一般為20mA)。加法器⑧輸出信號和初始電流分別流到電流調(diào)節(jié)器?。電流調(diào)節(jié)器輸出的連續(xù)信號經(jīng)過疊加顫振信號?后，轉(zhuǎn)換成脈沖寬度與其大小成比例的脈沖信號。該信號經(jīng)脈寬調(diào)制器和功率放大級?放大后，在電磁鐵兩端產(chǎn)生與之同相的脈沖電壓。當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于線圈的截止頻率時，由于線圈的電感性，可以在線圈上得到平均值與脈寬成比例，帶有交流紋波分量的直流電流。電流產(chǎn)生的磁場帶動比例閥閥心動作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)比例放大器賦值端輸入正值時，電磁鐵B動作；反之，則A動作。繼電器K6可以實(shí)現(xiàn)電磁鐵A和B的轉(zhuǎn)換控制。

3．VT3000在海瑞克盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用

比例放大器VT3000在盾構(gòu)機(jī)上共有兩塊，分別應(yīng)用于刀盤和螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制刀盤和螺旋機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。VT3000在刀盤和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方面的工作原理是一樣的，這里以刀

盾構(gòu)機(jī)是一種綜合應(yīng)用機(jī)械、電氣、液壓、氣動等技術(shù)的挖掘機(jī)械，在城市地鐵施工中得到廣泛使用。液壓系統(tǒng)各種液壓閥的操縱、控制都是通過力（力矩）或位移（角位移）形式的機(jī)械量來實(shí)現(xiàn)。它可以用手動、機(jī)動、氣動、液動、電動及其組合等方式來進(jìn)行。當(dāng)控制規(guī)律比較復(fù)雜或要求達(dá)到較高的控制性能時，一般都采用電液控制的方式。這種方式是將微弱的控制信號，經(jīng)控制放大器處理和功率放大，再由某種形式的電機(jī)械(E-M)轉(zhuǎn)換器，將電量轉(zhuǎn)換成控制元件運(yùn)動需要的機(jī)械量。

VT3000就是這樣一個控制放大模塊，可以將微弱的控制信號處理并放大。

1．VT3000構(gòu)成

比例放大器VT3000是雙路、不帶電反饋、開關(guān)式比例放大器，主要由電源電路、信號處理電路、電流調(diào)節(jié)電路、功率放大電路等組成。VT3000比例放大器原理圖如圖81所示。

(1)電源電路是通過外置標(biāo)準(zhǔn)電源供電，并將電源電壓進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓和過載保護(hù)。內(nèi)輔助電源是通過選擇新的參考點(diǎn)，得到以新參考點(diǎn)為基準(zhǔn)零點(diǎn)，能滿足控制放大器中運(yùn)算放大器等元件正常工作所需要的穩(wěn)定電源。

(2)信號處理電路將輸入的指令信號根據(jù)不同的控制對象和工況要求進(jìn)行處理，一般都有斜坡信號發(fā)生器、階躍函數(shù)發(fā)生器、初始電流設(shè)定等電路。

1)斜坡信號發(fā)生器。斜坡信號發(fā)生器將一個階躍輸入信號變成緩慢上升或下降的輸出信號，并可通過內(nèi)置電位計進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)被控系統(tǒng)工作壓力或運(yùn)動速度等的無沖擊過渡。調(diào)節(jié)電位計可以改變輸出電壓的斜率，當(dāng)輸入電壓小于額定電壓時，斜坡時間也相應(yīng)減少，其特性如圖82所示。

2)階躍函數(shù)發(fā)生器。階躍函數(shù)發(fā)生器的輸出信號經(jīng)放大器放大后，給比例電磁鐵一個階躍電流，使比例閥閥心快速躍過零位死區(qū)，削弱或排除比例閥閥心正遮蓋的影響，適應(yīng)零區(qū)控制的要求，其特性如圖83所示。

3)雙路平衡電路。雙路平衡電路可以使兩個不同參數(shù)的比例電磁鐵得到對稱的控制特性。調(diào)節(jié)平衡電路中的內(nèi)置電位計可以使比例電磁鐵的控制通道增益相同，并使其中一路控制信號反相，實(shí)現(xiàn)兩個電磁鐵差動工作。

4)初始電流調(diào)節(jié)主要用于產(chǎn)生比例電磁鐵的預(yù)激電流，調(diào)整比例閥的零位死區(qū)大小，避開死區(qū)，使比例閥在設(shè)定值輸入時，從起始位置迅速起動。

(3)電流調(diào)節(jié)器用于改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)品質(zhì)，使控制閥或系統(tǒng)穩(wěn)定并達(dá)到一定的控制精度，對于干擾起抑制作用，使其動態(tài)特性得到提高。其中，串并聯(lián)混合式PID（比例積分微分環(huán)節(jié)）運(yùn)算電路zui為常見，該連接方式可以避免級間誤差，保證控制精度。

(4)顫振信號發(fā)生器可以輸出頻率和幅值穩(wěn)定可調(diào)的顫振信號，并能疊加到控制信號上，可以減小比例電磁鐵甚至整個電液控制閥的滯環(huán)。比例放大器VT3000的顫振信號發(fā)生器頻率為170(1±10%)Hz。

VT3000采用的是開關(guān)式功率放大級中的脈寬調(diào)制式(PWM)放大電路。它由脈寬調(diào)制器和功率放大級組成，可以使放大管工作在飽和區(qū)（開）或截止區(qū)（關(guān)），功耗低且負(fù)荷相應(yīng)較小，不但可以提高工作效率降低成本，而且提高了可靠性。

2．工作原理

如圖5 83所示，VT3000有六個賦值端，其中賦值端1～4(額定輸入電壓為±9V)可以分別通過導(dǎo)通繼電器K1～K4(繼電器的工作電壓為DC 24V)來進(jìn)行賦值。設(shè)定的電壓值可以由內(nèi)置輔助電源③或外置電位計提供。這四個賦值端賦值的大小還可以分別通過調(diào)節(jié)電位計R₁～R₄來設(shè)定。當(dāng)這些賦值端用外置電位計賦值時，如果內(nèi)置電位計沒有調(diào)到zui大，由于內(nèi)置電位計分壓的原因，其賦值功能將減弱或受限制。直接賦值端5可以直接輸入0～±6V電壓(額定輸入電壓為±6V)。賦值端6是一個微分輸入端，可以直接輸入0～±10V電壓(額定輸入電壓為±10V)。如果用不同參考電壓的電器元件賦值時，那么必須從賦值端6進(jìn)行賦值。所有賦值端輸入電壓值以測量零點(diǎn)為參考電壓。

VT3000控制面板上指示燈VD1～VD4發(fā)亮?xí)r，分別表示賦值端1～4正在賦值。如果兩個賦值端同時賦值，那么較大的值將被設(shè)定。在開始或停止賦值時，必須將輸入端的兩條信號線同時連接或斷開。所有設(shè)定的參數(shù)傳遞到加法器⑧進(jìn)行相加，然后輸出一階躍電壓信號到斜坡發(fā)生器。上升時間（斜率）通過電位計進(jìn)行調(diào)節(jié)。電壓信號到達(dá)額定值的斜坡時間(1s或5s)可以通過是否短接放大器板卡上的J5、J6端來選擇。當(dāng)使用外置電位計調(diào)節(jié)斜坡時間時，內(nèi)置電位計必須調(diào)到zui大值。因?yàn)閮?nèi)外置電位計并聯(lián)，額定斜坡時間將變小。通過導(dǎo)通繼電器K5或外部短接14a與14c端，可以設(shè)定zui小斜坡時間30ms。

斜坡發(fā)生器輸出信號送至階躍函數(shù)發(fā)生器⑦和加法器⑧。在階躍函數(shù)發(fā)生器的出口產(chǎn)生一階躍函數(shù)，它和斜坡發(fā)生器的輸出信號在加法器內(nèi)相加。加法器⑧的電流輸出信號分別流向雙路平衡電路⑨、電流調(diào)節(jié)器?和控制面板檢測點(diǎn)W（檢測電壓為0～±6V）。如果在W點(diǎn)檢測到的電壓為0～+6V時，放大器將控制電磁鐵A；如果在W點(diǎn)檢測到的電壓為0～-6V時，放大器將控制電磁鐵B。如果檢測電壓小于額定值的1%（階躍函數(shù)發(fā)生器沒有動作），那么流過電磁鐵的電流為20mA。流過電磁鐵A和B的電流大小可以分別通過控制面板檢測點(diǎn)I_a，I_b進(jìn)行測量(額定值為800mA或800mV)。

加法器⑧輸出信號流經(jīng)雙路平衡電路后反相，可以實(shí)現(xiàn)電磁鐵A和B的差動工作。初始電流調(diào)節(jié)電路⑩可以分別通過內(nèi)置電位計，調(diào)節(jié)電磁鐵A和B的預(yù)激電流(一般為20mA)。加法器⑧輸出信號和初始電流分別流到電流調(diào)節(jié)器?。電流調(diào)節(jié)器輸出的連續(xù)信號經(jīng)過疊加顫振信號?后，轉(zhuǎn)換成脈沖寬度與其大小成比例的脈沖信號。該信號經(jīng)脈寬調(diào)制器和功率放大級?放大后，在電磁鐵兩端產(chǎn)生與之同相的脈沖電壓。當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于線圈的截止頻率時，由于線圈的電感性，可以在線圈上得到平均值與脈寬成比例，帶有交流紋波分量的直流電流。電流產(chǎn)生的磁場帶動比例閥閥心動作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)比例放大器賦值端輸入正值時，電磁鐵B動作；反之，則A動作。繼電器K6可以實(shí)現(xiàn)電磁鐵A和B的轉(zhuǎn)換控制。

3．VT3000在海瑞克盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用

比例放大器VT3000在盾構(gòu)機(jī)上共有兩塊，分別應(yīng)用于刀盤和螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制刀盤和螺旋機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。VT3000在刀盤和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方面的工作原理是一樣的，這里以刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為例，介紹其實(shí)際應(yīng)用。

刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電路分為控制回路和執(zhí)行回路兩部分：①在執(zhí)行回路中，比例放大器VT3000的32a和26a分別接DC24V電源的正負(fù)極，控制回路輸出的模擬信號接微分輸入端（賦值端6）l6a和l6c，比例溢流閥的電磁鐵(-42Y6)接24a和30a；②在控制回路中，有一個外置電位計(-43R3)。VT3000是通過外置電位計調(diào)節(jié)流過比例溢流閥電磁鐵電流的大小，從而改變溢流閥閥心的壓力，達(dá)到控制刀盤旋轉(zhuǎn)速度的目的。

盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為例，介紹其實(shí)際應(yīng)用。

刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電路分為控制回路和執(zhí)行回路兩部分：①在執(zhí)行回路中，比例放大器VT3000的32a和26a分別接DC24V電源的正負(fù)極，控制回路輸出的模擬信號接微分輸入端（賦值端6）l6a和l6c，比例溢流閥的電磁鐵(-42Y6)接24a和30a；②在控制回路中，有一個外置電位計(-43R3)。VT3000是通過外置電位計調(diào)節(jié)流過比例溢流閥電磁鐵電流的大小，從而改變溢流閥閥心的壓力，達(dá)到控制刀盤旋轉(zhuǎn)速度的目的。